JP2016118547A - Diversification of lenslet, beamwalk, and tilt for anisoplanatic image formation in large diameter telescope - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、一般的には大気を経由した遠距離からの物体の画像形成システム及び方法に関し、より具体的には、空対空監視及び空対宙監視に関する。具体的には、本開示は、遠距離にある物体(星、軌道周回物体、ミサイル及び飛行機を含む)の画像における大気乱流の影響を補償するシステム及び方法に関する。 The present disclosure relates generally to systems and methods for imaging objects from long distances through the atmosphere, and more specifically to air-to-air and air-to-air monitoring. Specifically, the present disclosure relates to a system and method for compensating for the effects of atmospheric turbulence on images of distant objects (including stars, orbiting objects, missiles and airplanes).
星又は他の天体からの光が地球の大気圏に入る際、(例えば異なる温度の層や異なる風速が相互作用することによってもたらされる)大気乱流によって様々な態様で画像が歪んだり動いたりすることがあり得る。口径が10cmよりも大きい任意の望遠鏡によって生成された画像には、これらの歪みによってぶれが生じる。ぶれは高速で変化するので、長時間露光した画像においては、より高い空間周波数は消去される。この問題に対処する1つの方法は、リアルタイム補償光学(AO)を用いて波面を補正することである。補完的方法の1つは、多数の短時間露光によって画像を再構成する、スペックル・イメージング(speckle imaging)技術である。 When light from a star or other celestial body enters the Earth's atmosphere, the image is distorted or moved in various ways by atmospheric turbulence (for example, caused by the interaction of different temperature layers and different wind speeds) There can be. These distortions cause blurring in images generated by any telescope with an aperture larger than 10 cm. Since blurring changes at high speed, higher spatial frequencies are eliminated in images that have been exposed for a long time. One way to address this problem is to correct the wavefront using real time adaptive optics (AO). One complementary method is a speckle imaging technique that reconstructs an image with multiple short exposures.
AOシステムは、天体光の一部を受容する波面センサ(WFS)と、光路上に位置する可変形鏡と、検知器からの入力を受容して可変形鏡の表面を制御するコンピュータとを備える。代替的には、可変形鏡は、ビームを通じた空間位置の関数として及び時間の関数として光学ビームの位相を調整する能力を提供する、他のタイプの装置によって代用されることができる。他の一例が液晶空間光変調器である。AOシステムは、乱流によって引き起こされる波面の摂動を測定するのに、波面センサに依存する。これらの測定は、波面の歪みの影響を低減することによって、画像形成システムの性能向上のために用いられることができる。その狙いは、入射する波面の変形を、歪みを補償するために鏡を素早く変形させることによって補正することである。 The AO system includes a wavefront sensor (WFS) that receives a portion of astronomical light, a deformable mirror located on the optical path, and a computer that receives input from a detector and controls the surface of the deformable mirror. . Alternatively, the deformable mirror can be substituted by other types of devices that provide the ability to adjust the phase of the optical beam as a function of spatial position through the beam and as a function of time. Another example is a liquid crystal spatial light modulator. AO systems rely on wavefront sensors to measure wavefront perturbations caused by turbulence. These measurements can be used to improve the performance of the imaging system by reducing the effects of wavefront distortion. The aim is to correct the deformation of the incident wavefront by quickly deforming the mirror to compensate for the distortion.
補償光学の最もシンプルな形態はチップ‐チルト補正である。チップ‐チルト補正は、2つの次元における波面の補正(画像の位置オフセットの補正と同等)に相当する。X方向及びY方向双方における急速な光学的チルトは、ジッタと称される。ジッタは、空気力学的流れ場における、急速に変化する3次元(3−D)の屈折によって発生させることができる。ジッタは、AOシステムにおいて、小さく、急速で、コンピュータ制御された鏡のX及びYアングルの変化を可能にする動的2軸マウントに取り付けられた平面のステアリングミラーを用いることによって、補償され得る。コンピュータに駆動される平面のステアリングミラーからの光を反射することによって、画像又はレーザービームは安定することができる。動き及び遠視野のレーザービームジッタによる画像のぶれは、解消されないとしても軽減される。 The simplest form of adaptive optics is chip-tilt correction. Chip-tilt correction corresponds to wavefront correction in two dimensions (equivalent to correction of image position offset). Rapid optical tilt in both the X and Y directions is referred to as jitter. Jitter can be generated by rapidly changing three-dimensional (3-D) refraction in an aerodynamic flow field. Jitter can be compensated for in AO systems by using a planar steering mirror attached to a dynamic biaxial mount that allows changes in the X and Y angles of a small, rapid, computer controlled mirror. By reflecting light from a planar steering mirror driven by a computer, the image or laser beam can be stabilized. Image blur due to motion and far-field laser beam jitter is reduced if not eliminated.
補償光学とは、本質的に同一平面上のテクノロジーであり、即ち、「アイソプラナティック角(isoplanatic angle)」と呼ばれる角度内では、乱流の影響は一定であると見なされる。実際、乱流による波面の歪みは非同一平面的な条件によって空間的に変化している一方、アイソプラナティック角は大気の条件によって変化する。複数の同一平面上のパッチ(patch)(すなわち時間的コヒーレンスを有する光路)からなる拡張領域の補償光学的な補正は、AOシステムにおいて複雑さの著しい増加を要求する。 Compensating optics is essentially a coplanar technology, i.e., the effect of turbulence is considered to be constant within an angle called the "isoplanatic angle". In fact, wavefront distortion due to turbulence varies spatially under non-coplanar conditions, while isoplanatic angles vary with atmospheric conditions. Compensating optical correction of extended regions consisting of multiple coplanar patches (ie, optical paths with temporal coherence) requires a significant increase in complexity in AO systems.
大口径を用いて拡張された視界において、AOシステムの増加した複雑さを伴わずに、高品位な非同一平面上の画像形成を実施し得る天文学用計器を提供することが有利であるだろう。 It would be advantageous to provide an astronomical instrument that can perform high-quality non-coplanar imaging in the field of view extended with a large aperture without the increased complexity of the AO system. .
本明細書で開示される手法は、大口径を用いて拡張された視界において高品位な非同一平面上の画像形成を可能にするため、標準的画像再構成技術と、3次元大気乱流の断層撮影による評価とを組み合わせたものである。より具体的には、以下で詳細に説明されるシステム及び方法は、強弱問わず乱流が拡張している中において約10cmより大口径で観察したときに素早く動く大きな物体の高品位な画像再構成を生み出すために、大気の断層撮影、順モデルの画像再構成、及び多様化技術といった概念を組み合わせたものである。 The approach disclosed herein enables standard image reconstruction techniques and 3D atmospheric turbulence in order to enable high quality non-coplanar imaging in a field of view extended using a large aperture. This is a combination of tomographic evaluation. More specifically, the systems and methods described in detail below provide high-quality image reconstruction of large objects that move quickly when viewed at a diameter larger than about 10 cm in a turbulent dilation, regardless of strength. To create the composition, it combines concepts such as atmospheric tomography, forward model image reconstruction, and diversification techniques.
補償光学で用いられる大気位相の断層撮影を使って、複数のフレームにわたって波面センサに収集された光は、大気を経由して複数の光路をサンプリングし、大気乱流の体積の評価を可能にするであろう。順モデルが正しく定式化される限り、計測されたデータを後工程処理する順モデルを用いた画像再構成についても同じことが該当し得る。計測されたデータは、関数として、原始的物体のプロファイルといった基礎となるパラメータに依存する。順モデル技術は、計測結果を順モデルによる予測とマッチさせることによってそれらの基礎となるパラメータを評価するアルゴリズムである。 Using the atmospheric phase tomography used in adaptive optics, the light collected by the wavefront sensor across multiple frames samples multiple optical paths through the atmosphere, enabling evaluation of atmospheric turbulence volume Will. As long as the forward model is correctly formulated, the same may be true for image reconstruction using a forward model that post-processes the measured data. The measured data depends as a function on the underlying parameters such as the profile of the primitive object. Forward model technology is an algorithm that evaluates the parameters underlying them by matching measurement results with predictions from forward models.
ここで提案される手法は、遠距離にある物体(地球軌道上の物体を含む)の画像形成のためのもので、容易に実施可能であり、瞳面及び像面の両方において、開口部全域にわたって非常に詳細な位相の評価を可能にする、変化を生成するために、チルト/ビームウォークの多様性を利用するものである。この手法は、「アイソプラナティックパッチ角(isoplanatic patch angle)」よりもずっと大きな画像の再構成を可能にする。なぜならば、この手法は物体と受像機の間の大気中の収差の体積全体を評価するからである。この手法は、乱流層の動きに依存するよりもむしろ、オンデマンドで多様性を獲得するために、能動的なビームのチルト、ビームウォーク及び焦点制御を利用する。本明細書の教示に従って建設された受光センサ(例えば望遠鏡)を用いると、100マイクロラジアン程度に大きい角度領域、及び口径が100程度でフリード長がr0のものについて、画像形成可能であり得る。 The method proposed here is for image formation of objects at long distances (including objects in the Earth's orbit), and can be easily implemented. It uses the diversity of tilt / beam walks to produce changes that allow for a very detailed phase assessment over time. This approach allows image reconstruction much larger than the “isoplanatic patch angle”. This is because this technique evaluates the entire volume of aberration in the atmosphere between the object and the receiver. This approach utilizes active beam tilt, beam walk and focus control to obtain diversity on demand rather than relying on turbulent layer motion. Using a light receiving sensor (eg, a telescope) constructed in accordance with the teachings of this specification, it may be possible to image an angular region as large as 100 microradians and an aperture of about 100 and a freed length r 0 .
以下で詳細に開示される非同一平面上の画像形成のシステム及び方法の実施は、ビームスプリッターの前部に配置された2つの高速ステアリングミラーの作動並びに、ビームスプリッターの後部に配置されたレンズレットアレイ及び/又は結像レンズの作動を利用し得る。レンズレットアレイは、WFSカメラの前部に配置され、結像レンズは従来型の焦点面アレイの前部に配置される。画像形成カメラ及びWFSカメラは、それぞれの画像を少なくともナイキストレートと同程度に精細な点の密度でサンプリングすることが望ましい。角度の観点では、これはλ/2Dである。ここではλは操作の及び画像形成カメラの平均波長であり、Dは画像形成カメラの光学瞳の開口径である。WFSカメラにとっては、Dはサブアパーチャ(subaperture)の直径である。しかし、これは必須ではない。システムは、性能が若干劣化する可能性はあるが、ナイキストよりも粗いサンプリングのカメラも利用できるであろう。幾つかの実施形態では、これらの機能は物体の動きと組み合わされ、大気の屈折率体積のマルチパスサンプリングを可能にする。 The implementation of the non-coplanar imaging system and method disclosed in detail below involves the operation of two fast steering mirrors located at the front of the beam splitter and the lenslet located at the rear of the beam splitter. Array and / or imaging lens actuation may be utilized. The lenslet array is placed in front of the WFS camera and the imaging lens is placed in front of the conventional focal plane array. It is desirable that the image forming camera and the WFS camera sample each image at a fine point density at least as high as that of the Nyquist rate. From an angle perspective, this is λ / 2D. Here, λ is the average wavelength of the operation and image forming camera, and D is the aperture diameter of the optical pupil of the image forming camera. For WFS cameras, D is the diameter of the sub-aperture. However, this is not essential. The system may be able to use cameras with a sampling coarser than Nyquist, although performance may be slightly degraded. In some embodiments, these functions are combined with object motion to allow multi-pass sampling of the atmospheric refractive index volume.
以下で詳細に開示される本件主題の一態様は、大気を経由した遠距離からの物体の非同一平面上の画像形成方法であって、以下のステップを含む。(a)遠方の物体からの光を、瞳で受容すること、(b)イメージャカメラ内に連続する焦点面画像を、そして波面センサのカメラ内に連続する波面センサ画像を形成するために、多様化技術を用いて受容した光のそれぞれの分量をイメージャカメラ及び波面センサのレンズレットアレイに向けて集約すること、(c)各波面センサ画像の大気位相体積の評価と点広がり関数の評価とを合同して更新するために順モデル技術を利用すること、(d)更新された点広がり関数及び大気位相体積の評価に基づいて遠方の物体の画像を再構成すること、及び(e)再構成された画像において大気位相の収差が最小化するまで、反復して(a)から(d)までのステップを繰り返すことであって、多様化技術がコンピュータシステムによって制御され、プロセス(c)及び(d)がコンピュータシステムによって実行されること。幾つかの実施形態に従うと、多様化技術は波面センサカメラの瞳の画像を変化させることを含む。 One aspect of the present subject matter disclosed in detail below is a non-coplanar image forming method of an object from a long distance via the atmosphere, and includes the following steps. (A) accepting light from a distant object at the pupil, (b) forming a continuous focal plane image in the imager camera, and forming a continuous wavefront sensor image in the camera of the wavefront sensor. Aggregating the respective quantities of received light using the imaging technology towards the lenslet array of the imager camera and wavefront sensor; (c) evaluating the atmospheric phase volume and the point spread function of each wavefront sensor image; Using forward model techniques to update jointly, (d) reconstructing images of distant objects based on the updated point spread function and atmospheric phase volume evaluation, and (e) reconstruction The steps from (a) to (d) are repeated repeatedly until the atmospheric phase aberration is minimized in the resulting image, and the diversification technique is controlled by the computer system. The process (c) and (d) are performed by a computer system. According to some embodiments, the diversification technique includes changing the image of the pupil of the wavefront sensor camera.
開示される主題の別の一態様は、大気を経由した遠距離からの物体の非同一平面上の画像形成方法であって、(a)遠方の物体からの光を、受光センサの開口部を通じて受容すること、(b)受容した光をイメージャカメラに向けられた第1のビームと、波面センサのレンズレットアレイに向けられた第2のビームとに分離すること、(c)波面センサのカメラの焦点面アレイ上の瞳の画像を変化させること、(d)波面センサカメラによる各画像出力用の多数のサブアパーチャの受光センサの視界内で3次元体積の大気位相収差を評価すること、及び(e)評価された大気位相収差を用いて遠方の物体の非同一平面上の画像を再構成することであって、プロセス(c)がコンピュータシステムによって制御され、プロセス(d)及び(e)がコンピュータシステムによって実行されること、を含む。この方法は、更に1以上の以下の操作を含み得る。(i)複数の方向における種々の部分的に重複する光導体を測定することであって、プロセス(d)が乱流層における複数の独立した位相の和を3次元体積の大気位相収差を評価するための線形技術を用いて解決することを含む、測定すること、(ii)波面センサカメラによって取得された連続する画像において、サブアパーチャ画像の部分的な重複を生じさせるために、ビームウォークの多様性を適用することであって、プロセス(d)が順モデル技術を用いてサブアパーチャ波面同士を縫合することを含む、適用すること、(iii)レンズレットアレイを波面センサの光軸に沿って動かすことのようにWFSの焦点を調整することによって焦点の多様性を適用することであって、操作(e)が各サブアパーチャ画像の非同一平面上の再構成を含む、適用すること、(iv)画像形成レンズ又は画像形成システムのカメラをイメージャの光軸に沿って動かすことのように画像形成システムの焦点を調整することによって焦点の多様性を適用することであって、操作(d)が複数の同一平面上のパッチにわたって拡張する遠方の物体の位相の評価を含む、適用すること、及び(v)開口部を規則配列されたサブアパーチャに分解し、波面センサカメラによる画像出力から、多数のサブアパーチャ画像を形成すること。 Another aspect of the disclosed subject matter is a non-coplanar image forming method for an object from a long distance via the atmosphere, wherein (a) light from a distant object is passed through an aperture of a light receiving sensor. Receiving, (b) separating the received light into a first beam directed to the imager camera and a second beam directed to the lenslet array of the wavefront sensor, (c) the camera of the wavefront sensor Changing the image of the pupil on the focal plane array of (d) evaluating three-dimensional volume atmospheric phase aberrations within the field of view of the multiple sub-aperture light receiving sensor for each image output by the wavefront sensor camera; and (E) Reconstructing a non-coplanar image of a distant object using the estimated atmospheric phase aberration, wherein process (c) is controlled by a computer system and processes (d) and (e) Comprising, performed by a computer system. This method may further include one or more of the following operations. (I) measuring various partially overlapping light guides in a plurality of directions, wherein process (d) evaluates the sum of a plurality of independent phases in a turbulent layer and the atmospheric phase aberration of a three-dimensional volume Measuring, including solving using linear techniques to: (ii) in order to cause partial overlap of sub-aperture images in successive images acquired by a wavefront sensor camera Applying diversity, wherein the process (d) includes stitching the sub-aperture wavefronts using a forward model technique; (iii) aligning the lenslet array along the optical axis of the wavefront sensor. Applying a diversity of focus by adjusting the focus of the WFS like moving, and the operation (e) is on a non-coplanar surface of each sub-aperture image Including, applying, and (iv) applying focus diversity by adjusting the focus of the imaging system such as moving the imaging lens or camera of the imaging system along the optical axis of the imager. Applying, wherein operation (d) includes an evaluation of the phase of a distant object extending across a plurality of coplanar patches, and (v) decomposing the apertures into regularly arranged sub-apertures. A large number of sub-aperture images are formed from the image output by the wavefront sensor camera.
以下で詳細に開示される本件主題のさらなる別態様は、大気を経由した遠距離からの画像形成システムであって、以下を含む。開口部を備える受光センサ、瞳面に配置され、開口部を通過した光を受容する第1の高速ステアリングミラー、瞳面から距離を置いて配置され、第1の高速ステアリングミラーからの反射光を受容する第2の高速ステアリングミラー、第2の高速ステアリングミラーからの反射光を受容するように配置され、入る光を第1及び第2のビームに分離するビームスプリッター、第1の光ビームを受容するように配置されたレンズレットアレイ、レンズレットアレイを通過した光を受容するように配置された波面センサカメラ、第2の光ビームを受容するように配置されたイメージャカメラ、以下の各操作を実行するようにプログラムされたコンピュータシステム。(a)波面センサカメラの瞳の画像に変化を生じさせるための第1及び第2の高速ステアリングミラー並びに/又はレンズレットアレイの作動の制御、(b)イメージャカメラが捉えた画像又は波面センサカメラが捉えたサブアパーチャ画像に基づく3次元の大気位相体積の評価の更新、(c)イメージャカメラが捉えた画像又は波面センサカメラが捉えたサブアパーチャ画像に基づく点広がり関数の評価の更新、及び(d)更新された点広がり関数及び大気位相体積の評価を用いた物体の非同一平面上の画像の再構成。コンピュータシステムは、レンズレットアレイの、波面センサカメラの光軸に対する平行及び垂直方向への動作の作動を制御する。コンピュータシステムは、ビームウォークの多様性を提供するよう波面センサカメラがとらえた連続するサンプルのサブアパーチャ画像に変化を生じさせるために、第1及び第2の高速ステアリングミラーの作動を制御するように、そして操作(c)が順モデル技術を用いて位相データを縫合することを含むように、さらにプログラムされ得る。操作(b)から(d)は、再構成された画像の大気位相収差が最小化されるまで、順モデル技術を用いて反復して実行される。順モデルは、予期される乱流の統計値や場所や時間の相関係数と調和しない大気乱流に関する、ペナルティ関数を含み得る。 Yet another aspect of the present subject matter disclosed in detail below is an imaging system from a long distance via the atmosphere, including: A light receiving sensor having an opening, a first high-speed steering mirror that is disposed on the pupil plane and receives light that has passed through the opening, is disposed at a distance from the pupil plane, and reflects light from the first high-speed steering mirror. A second high-speed steering mirror for receiving, a beam splitter arranged to receive the reflected light from the second high-speed steering mirror, and separating the incoming light into first and second beams; receiving the first light beam A lenslet array arranged to receive, a wavefront sensor camera arranged to receive light passing through the lenslet array, an imager camera arranged to receive the second light beam, and the following operations: A computer system that is programmed to run. (A) control of the operation of the first and second high-speed steering mirrors and / or lenslet array to cause a change in the image of the pupil of the wavefront sensor camera, (b) the image captured by the imager camera or the wavefront sensor camera (C) Update of the evaluation of the three-dimensional atmospheric phase volume based on the sub-aperture image captured by (c) Update of the evaluation of the point spread function based on the image captured by the imager camera or the sub-aperture image captured by the wavefront sensor camera, and ( d) Non-coplanar image reconstruction of the object using updated point spread function and atmospheric phase volume estimation. The computer system controls the operation of the lenslet array in parallel and perpendicular to the optical axis of the wavefront sensor camera. The computer system is adapted to control the operation of the first and second fast steering mirrors to produce a change in the sub-aperture images of successive samples captured by the wavefront sensor camera to provide beam walk diversity. , And operation (c) can be further programmed to include stitching the phase data using forward model techniques. Operations (b) through (d) are performed iteratively using forward model techniques until atmospheric phase aberrations in the reconstructed image are minimized. The forward model may include a penalty function for atmospheric turbulence that is inconsistent with expected turbulence statistics and location and time correlation coefficients.
遠方の物体の大気を経由した非同一平面上の画像形成のシステム及び方法に関する別態様が、以下に開示され特許請求される。 Other aspects relating to non-coplanar imaging systems and methods via the atmosphere of distant objects are disclosed and claimed below.
地球周回物体を含む遠方の物体の、非同一平面上の画像形成のための、大気乱流が引き起こす歪みの補償を伴ったシステム及び方法の様々な実施形態が、以下で詳細に例示されるだろう。それらの非同一平面上の画像形成システムは、強弱問わず乱流が拡張している中において大口径で観察したときに素早く動く大きな物体の高品位な画像再構成を生み出すために、大気の断層撮影、順モデルの画像再構成、及び多様化技術を組み合わせたものである。 Various embodiments of systems and methods for non-coplanar imaging of distant objects, including Earth-orbiting objects, with compensation for distortions caused by atmospheric turbulence will be illustrated in detail below. Let's go. These non-coplanar imaging systems are used to create high-quality image reconstructions of large objects that move quickly when observed at large apertures in turbulent expansions, both strong and weak. It combines photography, forward model image reconstruction, and diversification techniques.
非同一平面上の画像形成システムの第1の例示的な実施形態の幾つかの構成要素が、図1で模式的に描かれ、静止した大気及び望遠鏡の視界(FOV)内を動く物体を示す。(センサジオメトリの代替的な説明は、旋回する望遠鏡のFOV内の定位置にある大気及び物体を換算することである。例えば、地球低軌道(LEO)衛星を追跡する場合など。)望遠鏡で観察される対象物2が、Time1、Time2、及びTime3における3つの異なる位置で、それぞれ示される。図1の斑点のついた帯はまた、Time1、Time2、及びTime3における物体2から発生する、変化する位相のそれぞれの光の「パイプ」も表す。[本明細書で使用する「パイプ」の語は、物体の視野方向に沿った、パイプ形のある体積の空間を意味する。物体からの光は、パイプ内の大気乱流による位相収差を有し得る。]図1に示される例では、位相パイプはそれぞれの楕円で示される2つの領域28及び30で(異なる時点において)部分的に重複する。視界内の光は望遠鏡によって捕捉され、物体2の画像を形成するために用いられる。しかし、干渉する乱流4(図1の波線で示す)の影響を補償するものがないため、その画像はぶれたり、又は他の形で歪んだりし得る。
Several components of a first exemplary embodiment of a non-coplanar imaging system are schematically depicted in FIG. 1 and show objects moving in a stationary atmosphere and telescope field of view (FOV). . (An alternative description of sensor geometry is to convert the atmosphere and objects in place in the FOV of a swiveling telescope. For example, when tracking a low earth orbit (LEO) satellite) Observation with a telescope The
元となる物体からの光において乱流が引き起こす位相収差を補償するシステム及び方法が、ここで図1に関連して説明されるであろう。図1には、非同一平面上の画像形成システムの構成要素を示すブロック図が含まれる。望遠鏡は、受光開口部又は瞳6を画定する主鏡40と、副鏡42とを備える。主鏡40への入射光は副鏡42に向けて反射され、副鏡は次いで折り返し平面鏡8に向けて衝突光を反射する。副鏡42からの光は、次いで折り返し平面鏡8によって、第1のリレーレンズシステム10に向けて反射される。光は第1のリレーレンズシステム10から射出されると、第1の高速ステアリングミラー12と衝突し、第1の高速ステアリングミラー12と一致する瞳の画像を形成する。第1の高速ステアリングミラー12は、この入射光を第2の高速ステアリングミラー14に向けて反射する。第2の高速ステアリングミラー14は、瞳の画像から距離Δzだけ離れた位置にある。第2の高速ステアリングミラー14における瞳の画像は、ぶれる。
A system and method for compensating for phase aberrations caused by turbulence in the light from the original object will now be described with reference to FIG. FIG. 1 includes a block diagram showing components of a non-coplanar image forming system. The telescope includes a
図1で説明される実施形態に従って、第2の高速ステアリングミラー14はそこから反射された光がビームスプリッター16(例えばダイクロイック又は光度ビームスプリッター)と衝突するように方向づけられる。光は、ビームスプリッター16によって2つに分岐される。光の一部はイメージャカメラ18の結像レンズ15に向けて反射され、光の他の部分は第2のリレーレンズシステム20に向けて伝送される。イメージャカメラ18は更に、結像レンズ15を通過した光を受容する焦点面アレイ17を備える。焦点面アレイ17は焦点面の画像を、プロセッサ26が読み出し、加工及び/又は記憶することができる、電気画像信号に変換する。好ましくは、だが(先述したように)必須ではないが、焦点面はナイキスト周波数でサンプリングされる。
In accordance with the embodiment illustrated in FIG. 1, the second
引き続き図1に言及すると、第2のリレーレンズシステム20を通過した光は、シャックハルトマン又は他の型の波面センサのレンズレットアレイ22と衝突する。波面センサは、更にWFSカメラ24を備える。レンズレットアレイ22は、瞳面に配列された(図示せぬ)レンズレットのセットを備える。各レンズレットは、同一の焦点距離を有する個別の小レンズであり、レンズレット群は瞳面に直線的に又は規則的に配置される。レンズレットは、図1の平行な垂直線で表されるサブアパーチャを形成するため、瞳6を分解するのに役立つ。各レンズレットは、WFSカメラ24の焦点面アレイ(例えばCCDアレイ)に合焦する。WFSカメラ24の(図1には図示せぬ)焦点面アレイは、多数のレンズレットに相当する多数のサブアパーチャ画像を、プロセッサ26が読み出し、加工及び/又は記憶することができる、電気画像信号に変換する。チルトを測定するシャックハルトマン波面センサを用いることによって、明視野の位相及び振幅を測定することが可能になる。
With continued reference to FIG. 1, light that has passed through the second
波面再構築の1つの実施形態に従って、プロセッサ26は、WFSカメラ24の焦点面アレイ上のそれぞれの焦点の位置から、各レンズレットを通した波面の局地的なチルトを計算するようにプログラムされることができる。任意の位相収差が、個別のチルトのセットによって概算されることができる。レンズレットを通過する光をサンプリングすることによって、チルトを測定し、プロセッサ26によって任意の波面位相収差を概算することができる。
In accordance with one embodiment of wavefront reconstruction,
望遠鏡の操作中、高速ステアリングミラー12及び14、レンズレットアレイ22、並びに(任意選択的に)イメージャカメラ18の撮像レンズ15が、作動される。第1の高速ステアリングミラー12のXアングル及びYアングルは、チルトの多様性を達成するために、プロセッサ26(又は別のコンピュータ若しくはプロセッサ)によって制御されることができる。第1及び第2の高速ステアリングミラー12及び14の角度は、ビームウォークの多様性を提供するためにプロセッサ26によって制御されることができる。(本明細書で使用する「ビームウォーク」の語は、波面センサ上の瞳の画像の変化を意味する。)加えて、レンズレットアレイ22は、図1の両矢印で示されるように、焦点の(即ちレンズレットの)多様性を達成するために、WFSカメラ24の光軸に沿って前後に移動可能である。レンズレットアレイ22はまた、ビームウォークの多様性を提供するために、(図1には図示せぬ)WFSカメラ24の光軸と直交する軸に沿っても前後に移動可能である。任意選択的に、焦点の多様性を達成するために、結像レンズ15もまたイメージャカメラ18の光軸に沿って前後に移動可能である。プロセッサは、画像取得及び画像再構築が反復して行われるプロセスの間、チルト、焦点、及びビームウォークを調整するために、高速ステアリングミラー、レンズレットアレイ及び結像レンズを制御するようにプログラムされる。
During operation of the telescope, the high speed steering mirrors 12 and 14, the
図1に示されるシステムにおいては、物体の動きと結び付いたチルト、焦点、及びビームウォークの多様性は、大気の屈折率体積のマルチパスサンプリングを可能にする。このマルチパスサンプリングによって、プロセッサ26が、3次元大気乱流の断層撮影による評価を用いて、乱流によって引き起こされた歪みを再構築された物体の画像から除去することが可能になる。プロセッサ26が実行するこの操作は、後で図4に関連してより詳細に説明されるであろう。
In the system shown in FIG. 1, the diversity of tilt, focus, and beam walk coupled with object motion allows multi-pass sampling of the refractive index volume of the atmosphere. This multi-pass sampling allows the
元となる対象物2の動きによって、図1に示されるように大気の位相サンプルの角度が様々に変化するという結果がもたらされる。WFSカメラ24は、大気を様々な方向にサンプリングすることによって、物体2からの光をサンプリングすることができる。位相は、図1で斑点入りの帯で表される「パイプ」に沿って測定される。パイプが互いに交差する箇所は、図1で楕円によって示される。同じ物点から異なる時点において発せられる光は、異なる位相収差を誘発し、異なる形を有する点広がり関数を生み出す、異なる体積の乱流に遭遇する。領域28及び30において、部分的に重複する種々のパイプを複数の方向で測定することによって、3−Dの大気位相体積を評価するための線形技術を用いることによって解決できる、各乱流層を通した複数の独立した位相の和が創出される。
The movement of the
(第2の高速ステアリングミラー14及び/又はレンズレットアレイ22の横方向への移動によって与えられる)ビームウォークの多様性を付加することによって、サブアパーチャの部分的重複がプロセッサ26のサブアパーチャの再構成を「縫合」することが可能になる。図1で示されるように、高速ステアリングミラー14は瞳の画像には位置しておらず、ミラーの角度を調整すること(及びその角度を高速ステアリングミラー12で補償すること)によって、瞳の画像は随意にWFSカメラ24上に移動することができる。これによって連続するWFSサンプルのサブアパーチャの部分的重複が生じ、プロセッサ26が周知の順モデルによる画像及び位相の再構築技術を用いて位相情報を縫合することが可能になる。ビームウォークはまた、位置サンプルの空間的により濃密なセットにおける波面のチルトを測定する能力を提供する。例えば、レンズレットアレイ全域のビームを半分の幅のレンズレットで変換することによって、先行位置の場合の中間のサンプル地点における新しい測定結果のセットが提供される。
By adding the diversity of beam walks (given by the lateral movement of the second
(第1の高速ステアリングミラー12によって与えられる)チルトの多様性を付加することによって、超解像度を可能にする焦点面の精細なサンプリングが可能になる。瞳の画像において高速ステアリングミラー12のみを調整するとWFSカメラ24上の焦点面の画像が変化するという結果をもたらす。チルトが変化することによって、検出器アレイへの各レンズレットのビームの位置合わせが調整される。様々なチルトのセットに対して測定を行うことによって、単一の測定に比べて、集合的に濃密なサンプルのセットが提供される。これによって、サブアパーチャ画像の精細サンプリングが可能になり、サブアパーチャ内の画像の超解像という結果がもたらされる。これは、複数の技術のうちの任意の1つを用いることによって達成できる。合焦された各レンズレットのビームの高解像度画像は、それぞれのレンズレットに関するビームの波面プロファイルのチップ及びチルトの回復ばかりでなく、焦点、非点収差、コマ収差、及びさらに複雑なプロファイルといった高次構造の回復をもサポートする。
Adding tilt diversity (provided by the first fast steering mirror 12) allows fine sampling of the focal plane to enable super-resolution. Adjusting only the
焦点の多様化を提供するための自由度の追加には、レンズレットアレイ22をWFSカメラ24の光軸に沿って動かすことが含まれる。この種の動きによって、各サブアパーチャにおける、より直接的な非同一平面上の画像の再構築が可能になる。この焦点の多様化手法は、複数の同一平面上のパッチにまたがって延伸する物体の位相を評価するため、イメージャ18の焦点面アレイにも適用され得る。
Adding the degree of freedom to provide focus diversification includes moving the
この焦点多様化の代替形態は、図2に示されるとおり、シャックハルトマンセンサ(即ちレンズレットアレイ22及びWFSカメラ24)と共に用いられるとき、大口径の非同一平面画像形成への第2の経路を提供する。図の煩雑さを避けるため、図2においては位相のパイプは斑点付きの帯の代わりに二点鎖線によって表されている。異なる物点から同一の時点において発せられる光は、異なる位相収差を誘発し、異なる形を有する点広がり関数を生み出す、異なる体積の乱流に遭遇する。図2に示される例では、幾つかの位相パイプがそれぞれの楕円で示される3つの領域32、34、及び36で部分的に重複する。物体の異なる点から得る異なる点広がり関数は、これらの異なる物点からの波面を再構築するために利用されることができる。これらの波面は、位相収差を発生させるためのモジューロ2π位相からアンラップすることができる。位相は次いで、図2で例示される位相パイプに沿った統合された位相に一致する。これらの統合された位相は、領域32、34、及び36で例示される交点と共に、図1で説明される実施形態のように、位相の3−D体積を求めるために利用されることができる。WFSの視界内の光は、望遠鏡によって捕捉され、レンズレットアレイ22を構成するそれぞれのレンズレットに対応する複数のサブアパーチャ画像を生成するために用いられる。領域32、34、及び36において交差するパイプのように部分的に重複する種々のパイプをこの代替手法において点広がり関数を用いて測定することによって、3−Dの大気位相体積を評価することによって解決できる、各乱流層を通した複数の独立した位相の和が創出される。図2で説明されるこの手法は、データの2つのフレームのみにおいてこの種の画像を提供するかもしれない。したがってこの手法は、待機時間の短い、より大きな物体の非同一平面上の画像形成のへの可能性のある経路の1つである。
This focal diversification alternative, as shown in FIG. 2, provides a second path to large aperture non-coplanar imaging when used with a Shack-Hartmann sensor (ie,
図3は、1つの実施形態に従う非同一平面上の画像形成プロセスのステップを示すフローチャートである。大口径望遠鏡は、地球周回物体を指向する間に、その視界(FOV)中に光を受容する(ステップ50)。光は望遠鏡の開口部(即ち瞳)によってビームを形成させられる。このビームは、次いで高速ステアリングミラーの作動によって様々なチルトや変化の影響を受ける(ステップ52)。高速ステアリングミラーの作動は、プロセッサ又は他のコンピュータシステムによって制御される。高速ステアリングミラーを通過した後、光は2つに分岐される(ステップ54)。ビームスプリッターによって反射した光は、イメージャカメラの焦点面に向けられる。イメージャカメラは、光子を電荷に変換することによって、連続して画像を捕捉する(ステップ62)。ビームスプリッターを通過した光は、次は、レンズレット及びビームウォークの多様性をオンデマンドで提供するために、様々な軸方向及び横方向の位置をとるよう作動される、レンズレットアレイを通される(ステップ56)。レンズレットアレイの作動は、プロセッサ又は他のコンピュータシステムによって制御される。レンズレットアレイはまた、開口部を規則的な配列のサブアパーチャに分解する効能を有している(ステップ58)。各レンズレットは、光をWFSカメラの焦点面に合焦させる。WFSカメラは、光子を電荷に変換することによって多数のサブアパーチャ画像を捕捉する(ステップ60)。捕捉された画像及びサブアパーチャ画像は、プロセッサ又は他のコンピュータシステムに送られる。プロセッサ又は他のコンピュータシステムは、画像データを大気乱流による位相収差の評価に使用する(ステップ64)。プロセッサ及び他のコンピュータシステムは、位相評価を、物体の、よりぶれの少ない画像の再構成に使用する(ステップ66)。 FIG. 3 is a flowchart illustrating steps of a non-coplanar image forming process according to one embodiment. The large-aperture telescope receives light in its field of view (FOV) while pointing at an orbiting object (step 50). The light is caused to form a beam by the aperture (ie, pupil) of the telescope. This beam is then affected by various tilts and changes due to the actuation of the high speed steering mirror (step 52). The operation of the fast steering mirror is controlled by a processor or other computer system. After passing through the high speed steering mirror, the light is split into two (step 54). The light reflected by the beam splitter is directed to the focal plane of the imager camera. The imager camera captures images continuously by converting photons into charges (step 62). The light that has passed through the beam splitter is then passed through a lenslet array, which is actuated to assume various axial and lateral positions to provide on-demand diversity of lenslets and beam walks. (Step 56). The operation of the lenslet array is controlled by a processor or other computer system. The lenslet array also has the effect of breaking the apertures into a regular array of sub-apertures (step 58). Each lenslet focuses light on the focal plane of the WFS camera. The WFS camera captures multiple sub-aperture images by converting photons into charges (step 60). The captured images and sub-aperture images are sent to a processor or other computer system. A processor or other computer system uses the image data to evaluate the phase aberration due to atmospheric turbulence (step 64). Processors and other computer systems use phase estimation to reconstruct a less blurred image of the object (step 66).
上記で説明されたチルト、ビームウォーク及び焦点の多様性によって、乱流層の動きを含む制御されない多様性は除去される。この種の制御されない多様性は、典型的には、収集条件の無作為の変化(例えば風の変化)に関連した余分な有害パラメータの評価を必要とする。 The tilt, beam walk and focus diversity described above eliminates uncontrolled diversity including turbulent layer motion. This type of uncontrolled diversity typically requires the evaluation of extra harmful parameters associated with random changes in collection conditions (eg, wind changes).
図4で説明されるように、プロセッサは絶え間なく、連続した焦点面画像70を受容する。各焦点面画像70は、より均一な画像を提供するため、ピクセルゲイン及びオフセットを補正される(操作72)。この補正スキームによって、2つの較正ポイントに基づいて画像の全ての画素の信号応答が調整される。較正ポイントの1つはゼロ信号(オフセット)であり、他の1つは典型的には約50%の彩度(ゲイン計算用)である。画素のゲインは、検知器によって出力される信号の量が、衝突する光の量の関数としてどのように変化するか、である。この後プロセッサは、補正された焦点面の画像に対して、画素の閾値処理及びシーンサポートを行う(操作74)。画素の閾値処理とは、一定の閾値を下回る値の画素をノイズとして扱い、ゼロと等価として設定する操作である。シーンサポートには、シーンの中で人が無視したいと願い得る箇所に相当する画素の値をゼロに設定することが含まれる。次いで、イメージャの順モデルのメトリック(metric)が、新しい焦点面画像の画素値によって更新される(操作76)。
As illustrated in FIG. 4, the processor continuously receives a continuous
引き続き図4に言及すると、プロセッサは同時に、絶え間なく、連続した波面センサ画像80も受容する。各波面センサ画像80は、より均一な画像を提供するため、ピクセルゲイン及びオフセットを補正される(操作82)。この後プロセッサは、補正された波面センサ画像に対して、画素の閾値処理及びシーンサポートを行う(操作84)。次いで、波面センサの順モデルのメトリックが、新しい波面センサ画像の画素値によって更新される(操作76)。新しい波面センサ画像のそれぞれが、多数のサブアパーチャ画像に分解される。
With continued reference to FIG. 4, the processor simultaneously receives a continuous
図4の破線の四角で囲まれた部分は、順モデルの実行を表している。プロセッサ26(図1及び2を参照)は、イメージャ18の応答及び波面センサ24の応答を形成する、順モデルに関連して残差の平方の和を最小にする、第1の最小二乗法を実行するようプログラムされている。これらの順モデルは、個別に実施可能であり、又は1つの順モデルに結合可能である。順モデルのメトリックは、更新された点広がり関数の評価(操作78)及び更新された大気位相体積の評価(操作88)を生成するために、最小化される。これらのプロセスは、イメージャカメラが捉えた画像又は波面センサカメラが捉えたサブアパーチャ画像に基づく3次元の大気位相体積の評価の更新、イメージャカメラが捉えた画像又は波面センサカメラが捉えたサブアパーチャ画像に基づく点広がり関数の評価の更新、及び更新された点広がり関数及び大気位相体積の評価を用いた物体の非同一平面上の画像の再構成、を含み得る。(周知のように、点広がり関数は位相から直接計算することができ、回復された位相は、関連付けられた点広がり関数と照合されることができる。)各データのセットに最良適合するように、順モデルのパラメータを調節することが目的である。最小二乗法は、残差の平方の和(以下「メトリック」と呼ぶ)が最小になるときに最適解を発見する。(「残差」は、測定された画素値と、順モデルによって予測された画素値との差分として定義される。)この非線形問題は、反復した細分化によって解決する。点広がり関数の更新及び大気位相の更新は、各反復後に更新された画像を生成するのに使用される(操作90)。次の反復の前に、必要に応じて、プロセッサの制御によりハードウェアに対して調整(即ち、チルト、焦点、及びビームウォークの多様性の適用)が行われる(操作92)。各セットの調整の後、非線形の最小化問題が解決されるまで、追加の画像が取得及び加工される。その結果、更新された画像が最小化の大気位相収差を有する。
A portion surrounded by a broken-line square in FIG. 4 represents execution of the forward model. The processor 26 (see FIGS. 1 and 2) implements a first least squares method that minimizes the sum of the squares of the residuals associated with the forward model, forming the response of the
本明細書で開示される画像形成方法の他の技術革新は、(a)大規模な風又は複雑な展開のための順モデルのペナルティ関数を含む、風又は他の乱流の展開により得る層内の乱流の動きの評価、及び(b)順モデル技術における、予期された乱流の統計値と調和しない乱流のペナルティ関数、例えばコルモゴロフ統計に従わない乱流の評価のペナルティを含む。 Other innovations in the imaging methods disclosed herein include: (a) layers obtained by wind or other turbulent development, including forward model penalty functions for large winds or complex developments And (b) a turbulence penalty function that does not match the expected turbulence statistics, for example, a penalty for turbulence evaluation that does not follow Kolmogorov statistics.
本明細書で採用される画像再構成手法は、従来の画像形成経路及びシャックハルトマン(レンズレット)経路の両方で形成される画像シーケンスを合同で利用する。既知の反復最大化技術は、従来の及びシャックハルトマンの両方の、生の画素レベルのデータと最も調和する再構成された物体を決定するために用いられることができる。 The image reconstruction technique employed herein uses jointly an image sequence formed by both the conventional image forming path and the Shack-Hartmann (lenslet) path. Known iterative maximization techniques can be used to determine the reconstructed object that best matches the raw pixel level data, both conventional and Shack-Hartmann.
チルトを試すため、又は瞳の部分領域を通じて見る物体を試すため、波面センサを焦点面画像と組み合わせて使用することは、冗長ノイズの減少や収差量の減少を含む幾つかの恩恵を有する。(D/r0≒10である、開口部全体にわたる約10のサブアパーチャ及び各サブアパーチャ内の再構成を前提として)D/r0=100までは、性能は良いはずである。提案された手法は、高速で動くより大きな物体と、大口径、及び拡張した又は強度の乱流という条件下(低い仰角に相当)で良好に機能するであろう。 Using a wavefront sensor in combination with a focal plane image to test tilt or test an object viewed through a partial area of the pupil has several benefits, including reduced redundant noise and reduced aberrations. The performance should be good up to D / r 0 = 100 (assuming about 10 sub-apertures over the entire aperture with D / r 0 ≈10 and reconstruction within each sub-aperture). The proposed approach will work well under conditions of larger objects moving at high speeds, large apertures, and extended or intense turbulence (corresponding to low elevation angles).
図1で示される基礎的な手法は、位相のチルトの合計を各サブアパーチャの複数の経路に沿って測定することである。時間mにおける(i、j)番目のサブアパーチャの位相の測定結果δφ(i、j、m)は、以下の数式で表される。
ここでは、和はk=1からKまでの層のそれぞれの位相の和であり、n(i、j、m)は対応する測定ノイズである。シャックハルトマン波面センサでは、測定されるのは位相のチルトである。
ここでは、δΤ(i、j、m)は測定されたチルトであり、δΤL(i、j、k;m)は評価対象の層のチルトである。m=1からMまでの累積は、限られた未知数δΤL(i、j、k;m)を有する多数の等式の集合という結果に帰着するように見える。δΤL(i、j、k;m)においては、指数i及びjは、暗黙のうちに測定時間mの関数であり、したがってグリッド化の問題が現存する。
The basic approach shown in FIG. 1 is to measure the sum of the phase tilts along multiple paths of each sub-aperture. The measurement result δφ (i, j, m) of the phase of the (i, j) -th sub-aperture at time m is expressed by the following formula.
Here, the sum is the sum of the respective phases of the layers from k = 1 to K, and n (i, j, m) is the corresponding measurement noise. In the Shack-Hartmann wavefront sensor, it is the phase tilt that is measured.
Here, δΤ (i, j, m ) is the measured tilt, and δΤ L (i, j, k; m) is the tilt of the evaluation target layer. The accumulation from m = 1 to M appears to result in a set of multiple equations with a limited unknown δΤ L (i, j, k; m). In δΤ L (i, j, k; m), the indices i and j are implicitly a function of the measurement time m, so the problem of gridding exists.
地球周回軌道上の物体にとっては、支配的な動きは物体に起因し、風の影響は二次的である。したがって、光線の経路は時間の経過と共に比較的良く知られ、それによってグリッド化の問題は最小化される。図1における光路28及び30の交点(楕円で示される)は部分的に重複する体積セルを表す。この部分的に重複する体積セルによって、経路の統合を作り上げる、対応する個別の位相の解決が可能になる。
For objects in Earth's orbit, the dominant movement is attributed to the object and the wind effect is secondary. Thus, the ray path is relatively well known over time, thereby minimizing gridding problems. The intersection of
本明細書で開示する非同一平面上の画像形成システムの鍵となる付加的な特徴の1つは、AO波面再構成の一部としてよりも、むしろ画像再構築の一部として(又は画像再構築とは別に)位相が評価されることである。提案される画像再構築は、典型的には光をイメージャカメラ18及びWFSカメラ24の焦点面の両方に対して集積させることを含む。
One of the key additional features of the non-coplanar imaging system disclosed herein is as part of image reconstruction (or image reconstruction) rather than as part of AO wavefront reconstruction. The phase is evaluated (apart from construction). The proposed image reconstruction typically involves integrating light against both the
非同一平面上の画像形成システムの付加的な特徴は、以下を含む。第一に、位相は各サブアパーチャにおけるマルチフレームブラインドデコンボリューション(multiframe blind deconvolution)といった、より大きいサブアパーチャを可能にする順モデル技術によって評価されることができる。第二に、サブアパーチャの相対的な平均の位相は、所与の枠組みの中で直接既知ではない。これらの未知の位相の平均は、波面センサの瞳の画像を変化させることで、連続する測定によって位相領域の部分的重複が見えることによって評価できる。(ビームウォークの一例である)この瞳の画像の変化は、高速ステアリングミラー14を用いることによって達成される。高速ステアリングミラー14の効果は、瞳の画像をΔzΔθの量だけ移動させることである。ここではΔθは高速ステアリングミラー上の角変位(単純化のため拡大効果は無視する)であり、Δzは、瞳の像平面から高速ステアリングミラー14の経路長である。高速ステアリングミラー14の効果はまた、焦点面画像位置を変化させるチルトも発生させるだろう。これは、高速ステアリングミラー12を使うことでキャンセルすることができる。高速ステアリングミラー12はまた、チルトを適用ししたがって焦点面画像の変化を適用するために単独で使用されることもできるが、瞳の画像の変化は起こらない。画像の変化の恩恵は、画素の角度幅よりもより精細な角度間隔での画像のサンプリングを可能にすることである。これによって、サブアパーチャ画像又は焦点面画像全体の超解像度サンプリングがサポートされる。最後に、焦点(即ちレンズレット)の多様性は、図1の両矢印によって示されるように)レンズレットアレイ22をWFSカメラ24の焦点面に対して移動させることによって適用される。この焦点の多様性は、非同一平面上の画像形成(複数の同一平面上のパッチにおける画像形成)をサポートすることが過去の研究から実証されている。
Additional features of non-coplanar image forming systems include: First, the phase can be evaluated by a forward model technique that allows for larger sub-apertures, such as multiframe blind deconvolution at each sub-aperture. Second, the relative average phase of the sub-apertures is not directly known within a given framework. The average of these unknown phases can be evaluated by changing the image of the pupil of the wavefront sensor and seeing the partial overlap of the phase region with successive measurements. This pupil image change (which is an example of a beam walk) is achieved by using a
本明細書で開示される非同一平面上の画像形成に従って、画像再構成プロセスは2つの高速ステアリングミラーの動き並びに、画像レンズ及びレンズレットアレイの作動によって強化される。これらの変化によって、大気中の位相収差の体積全体の順モデルによる評価が、物体のわずかな動きだけによって可能になる。このわずかな角運動は、δθ>dsub/Hを満たさなくてはならない。ここではdsubは望遠鏡の瞳にマッピングされた際のサブアパーチャの幅であり、Hは大気の高さである。したがって、例えばdsub=30cmでH=20kmであるとき、要求される物体の動きは、出力空間においてわずかに約δθ>15マイクロラジアンである。典型的には望遠鏡から1km以内に存在する、最も高度が低い乱流層を識別するのに必要な物体の動きは、約300マイクロラジアンである。これは、恒星の物体運動の場合は約5秒のデータで、そしてLEO物体の場合は0.1秒の速さで達成可能である。もし信号雑音比(SNR)が問題であるなら、より長時間の履歴もまた効果的であり得る。LEO物体の場合の相対的に速い0.1秒という時間は、典型的なフレームレートの100Hzにとって位相情報の顕著な不鮮明化(smearing)を示す。したがってより速いフレームレートが適切であり得る。 In accordance with non-coplanar imaging disclosed herein, the image reconstruction process is enhanced by the movement of two fast steering mirrors and the operation of the image lens and lenslet array. Due to these changes, a forward model evaluation of the total volume of phase aberrations in the atmosphere is possible with only a slight movement of the object. This slight angular motion must satisfy δθ> d sub / H. Here, d sub is the width of the sub-aperture when mapped to the pupil of the telescope, and H is the height of the atmosphere. Thus, for example, when d sub = 30 cm and H = 20 km, the required object motion is only about δθ> 15 microradians in the output space. The object motion required to identify the lowest altitude turbulent layer, typically within 1 km of the telescope, is about 300 microradians. This can be achieved with about 5 seconds of data for stellar object motion and 0.1 seconds for LEO objects. If signal-to-noise ratio (SNR) is an issue, longer history may also be effective. The relatively fast time of 0.1 second for LEO objects indicates a significant smearing of phase information for a typical frame rate of 100 Hz. Thus, a faster frame rate may be appropriate.
2つの高速ステアリングミラーによって与えられる変化によって、物体平面の副画素単位のサンプリング及び瞳面の副画素単位のサンプリングが可能になる。これによってその種の画素で通常得られるよりもより精細な特徴の評価が可能になるか、又は反対に、所与の解像度を得るために通常必要であろうよりもより大きな画素及びサブアパーチャが可能になる。これによって、SNRは恩恵を受ける。 The change provided by the two high-speed steering mirrors allows sub-pixel sampling of the object plane and sub-pixel sampling of the pupil plane. This allows for a finer evaluation of features than would normally be obtained with that type of pixel, or conversely, larger pixels and sub-apertures than would normally be needed to obtain a given resolution. It becomes possible. This benefits SNR.
本明細書で提案される非同一平面上の画像形成システムは、独立変数として大気位相(大気の光経路の差異)のチルトδΤL(i、j、k;m)を利用する順モデルを採用する。 位相よりもむしろチルトを用いることによって、問題の条件付けは改善されるだろう。なぜならば位相は感知されない全体的なピストン(piston)を有しており、これによって単一のセットの等式に帰着してしまうからである。チルトは、画像の再構成と同時に順モデルの中で評価される。チルト、即ち位相差の利用は、画像の再構成にとっては自然な選択である。なぜならば、画像の点広がり関数はまた、(同一平面上の各パッチにとっての)位相差の関数でもあるからである。 The non-coplanar image forming system proposed in this specification employs a forward model that uses the tilt δΤ L (i, j, k; m) of the atmospheric phase (difference in the optical path of the atmosphere) as an independent variable. To do. By using tilt rather than phase, the conditioning of the problem will be improved. This is because the phase has an overall piston that is not sensed, which results in a single set of equations. Tilt is evaluated in the forward model simultaneously with image reconstruction. The use of tilt or phase difference is a natural choice for image reconstruction. This is because the image point spread function is also a function of the phase difference (for each patch on the same plane).
大気の体積を表すのに用いられる3−Dグリッドは、より高速な再構成を行うには目が粗いということがあり得る。代替的に、より正確な再構成のためにはよリ精細な3−Dグリッドが用いられ得るが、再構成の時間はより長くかかる結果になるであろう。 The 3-D grid used to represent the volume of the atmosphere can be coarse for faster reconstruction. Alternatively, a finer 3-D grid may be used for more accurate reconstruction, but the reconstruction time will result in longer time.
本明細書で提案するシステムは、100マイクロラジアンを超える角度領域の画像形成を可能にするということが期待される。任意の所与の時間サンプルにおいて、もし焦点の多様化が用いられると、より弱い乱流の中で見上げるシナリオのための画像形成システムの全体的なFOVとほぼ等しい視界(FOV)の補償が達成されることが期待される。このFOVは、約100マイクロラジアンである(これは、約1000×1000の最新式のカメラを用いるという想定で、100ナノラジアンのナイキストサンプリングという想定)。より強い乱流の場合には、焦点の多様化はそれだけでは不十分であり得る。このような場合には、本明細書で採用する体積乱流手法が役立つであろう。そしてもし300マイクロラジアンの幅の帯状のデータが得られた場合、軌道に沿った方向にその大きさ(300マイクロラジアン)の画像形成が可能であり得、軌道を横切る方向には物体の幅と等しい幅が画像形成可能であり得る(とても大きな物体の場合には、大きなFOVのサブアパーチャが必要であり得るが)。 The system proposed here is expected to enable imaging of angular regions exceeding 100 microradians. At any given time sample, if focus diversification is used, a field of view (FOV) compensation approximately equal to the overall FOV of the imaging system for a scenario looking up in weaker turbulence is achieved. Is expected to be. This FOV is about 100 microradians (this assumes the use of a state-of-the-art camera of about 1000 x 1000, assuming a Nyquist sampling of 100 nanoradians). In the case of stronger turbulence, diversification of focus may not be sufficient by itself. In such cases, the volume turbulence technique employed herein may be helpful. And if strip-like data with a width of 300 microradians is obtained, an image of that size (300 microradians) can be formed in the direction along the trajectory, and the width of the object in the direction across the trajectory. Equal widths may be imageable (although for very large objects, a large FOV sub-aperture may be required).
提案された手法は、同一平面上のパッチの角度よりもずっと大きい、大きさとしては100マイクロラジアン又はそれを超え、D/r0が100又はそれを超える、高品質画像を評価することが可能であるべきである。SNRへの潜在的な恩恵も、また存在する。なぜならば、複数のフレームからの信号が画像を形成するために合成されるからである。もし、画像及び乱流の特徴の両方に対して超解像を得るために、順モデルの超解像機能が存分に利用されるとすると、画像は特別に高品質なものになることが期待される。この手法は、乱流は層をなしていて一定の速度で動くという仮定に頼るよりもむしろ、画像の変化及び焦点の、ユーザが指定できる多様性によって、過去に提案された手法よりも堅牢であることが期待される。むしろ、この手法は、乱流の体積評価を作成する際にそれらの仮定をテストすることができる。 The proposed method is capable of evaluating high quality images that are much larger than the patch angle on the same plane, with a size of 100 microradians or more and D / r 0 of 100 or more. Should be. There are also potential benefits to SNR. This is because signals from a plurality of frames are combined to form an image. If the super-resolution function of the forward model is fully utilized to obtain super-resolution for both image and turbulence features, the image can be of exceptionally high quality. Be expected. Rather than relying on the assumption that turbulence is layered and moving at a constant speed, this approach is more robust than previously proposed approaches due to the user-specified variety of image changes and focus. It is expected to be. Rather, this approach can test those assumptions in creating a turbulent volume assessment.
加えて、提案された手法は、大気を経由して伝えられるレーザー光ビームの質を改良する、改良された位相の評価を提供することを可能にするだろう。この種の適応によって、例えば地上のソース端末と地球軌道周回衛星上の宛先端末との間のリンクを確立しようとするレーザー又は光コミュニケーションシステムに対して、性能上の恩恵が提供されるだろう。改良された非同一平面上の位相補正は、能動型の若しくはレーザーによる画像形成、光による動力伝送の提供、又はレーザー兵器の応用を目的とした、地上又は航空機からの衛星の照射の改良も提供できるだろう。 In addition, the proposed approach will make it possible to provide an improved phase estimate that improves the quality of the laser light beam transmitted via the atmosphere. This type of adaptation would provide performance benefits, for example, for laser or optical communication systems that attempt to establish a link between a terrestrial source terminal and a destination terminal on an Earth orbiting satellite. Improved non-coplanar phase correction also provides improved satellite illumination from the ground or aircraft for active or laser imaging, providing optical power transmission, or laser weapon applications I can do it.
最後に、提案された技術は、地球低軌道上の物体の画像形成にとって、その物体の回転(slew)がその場所の風速よりずっと速い場合、別々に移動している各層の関係性が低いという前提で、特に有益であるはずである。 Finally, the proposed technique says that for imaging an object in low earth orbit, if the object's slew is much faster than the wind speed at that location, the layers moving separately are less relevant. It is a premise and should be particularly useful.
大気を経由した遠方の物体の非同一平面上の画像形成のシステム及び方法が、様々な実施形態を参照して説明されてきたが、当業者には、本書の教示から逸脱することなく様々な変形例が可能であること、及び、その要素を同等物に置換しうることが、理解されよう。加えて、特定の状況に対しては、本書で開示されている実践に概念及び簡素化を適合させるために、多数の修正例が可能となりうる。そのため、特許請求の範囲の対象である主題は開示されている実施形態に限定されないことが、意図されている。 While non-coplanar imaging systems and methods of distant objects via the atmosphere have been described with reference to various embodiments, those skilled in the art will recognize various methods without departing from the teachings herein. It will be appreciated that variations are possible and that elements may be substituted with equivalents. In addition, for a particular situation, numerous modifications may be possible to adapt concepts and simplifications to the practices disclosed herein. Thus, it is intended that the subject matter claimed is not limited to the disclosed embodiments.
特許請求の範囲で使われている用語「コンピュータシステム」は、少なくとも1つのコンピュータ又はプロセッサを有するシステムと、ネットワーク又はバスを介して通信する複数のコンピュータ又はプロセッサを有し得るシステムを含むように、広く解釈されるべきである。前の一文で使われている用語「コンピュータ」及び「プロセッサ」は、共に処理装置(例えば中央処理装置)及び、処理装置が読み出すことができるプログラムを記憶するある形態のメモリ(即ちコンピュータ可読媒体)を有する装置を意味する。これらの用語はまた、1又は複数の信号を取り込み、数学的な関数を適用して信号をフィルタリングし、1又は複数の出力信号を生成する、信号処理機能を実行するデジタル及びアナログの装置を含むようにも意図される。 As used in the claims, the term “computer system” includes a system having at least one computer or processor and a system that may have multiple computers or processors communicating over a network or bus. Should be interpreted widely. The terms “computer” and “processor” used in the previous sentence both refer to a processing device (eg, a central processing unit) and some form of memory (ie, a computer-readable medium) that stores a program that can be read by the processing device. Means a device having These terms also include digital and analog devices that perform signal processing functions that take one or more signals, apply mathematical functions to filter the signals, and generate one or more output signals. Also intended.
加えて、以下に明記されている方法の特許請求は、そこに列挙されたステップがアルファベット順に実行されること(特許請求の範囲の中のいかなるアルファベット順序も、単に従前に列挙されたステップを参照する目的にのみ使用される)、又は列挙されている順番で実行されることが必要であると、解釈されるべきではない。またそれらは、2つ以上のステップのいかなる部分も、同時に、又は入れ替えて実行することを排除すると解釈されるべきでもない。 In addition, the claims of the method specified below are such that the steps listed therein are performed in alphabetical order (any alphabetical order in the claims simply refers to the steps listed previously). Should not be construed as having to be performed in the order listed. They should also not be construed as excluding the execution of any part of two or more steps simultaneously or interchangeably.
Claims (14)
(a)遠方の物体からの光を、瞳で受容すること、
(b)イメージャカメラ内に連続する焦点面画像を、そして波面センサのカメラ内に連続する波面センサ画像を形成するために、多様化技術を用いて受容した前記光のそれぞれの分量を前記イメージャカメラ及び前記波面センサのレンズレットアレイに向けて集約すること、
(c)各波面センサ画像の大気位相体積の評価を合同して更新し、点広がり関数の評価を更新するために順モデル技術を利用すること、
(d)前記更新された点広がり関数及び大気位相体積の評価に基づいて前記遠方の物体の画像を再構成すること、及び
(e)前記再構成された画像において大気位相の収差が最小化するまで、反復して(a)から(d)までのステップを繰り返すことを含み、
前記多様化技術がコンピュータシステムによって制御され、プロセス(c)及び(d)が前記コンピュータシステムによって実行される、方法。 A non-coplanar image forming method of an object from a long distance via the atmosphere, the method comprising: (a) receiving light from a distant object at a pupil;
(B) to form a continuous focal plane image in the imager camera and a continuous wavefront sensor image in the camera of the wavefront sensor, the respective amount of the light received using diversification techniques; And aggregating towards the lenslet array of the wavefront sensor,
(C) jointly update the evaluation of the atmospheric phase volume of each wavefront sensor image, and use forward model technology to update the evaluation of the point spread function;
(D) reconstructing an image of the distant object based on the updated point spread function and atmospheric phase volume evaluation; and (e) minimizing atmospheric phase aberrations in the reconstructed image. Including repeating steps (a) to (d) repeatedly,
A method wherein the diversification technique is controlled by a computer system and processes (c) and (d) are performed by the computer system.
開口部を備える受光センサ、
瞳面に配置され、前記開口部を通過した光を受容する第1の高速ステアリングミラー、
前記瞳面から距離を置いて配置され、前記第1の高速ステアリングミラーからの反射光を受容する第2の高速ステアリングミラー、
前記第2の高速ステアリングミラーからの反射光を受容するように配置され、入る光を第1及び第2の光ビームに分離するビームスプリッター、
前記第1の光ビームを受容するように配置されたレンズレットアレイ、
前記レンズレットアレイを通過した光を受容するように配置された波面センサカメラ、
前記第2の光ビームを受容するように配置されたイメージャカメラ、及び
コンピュータシステムであって、
(a)前記波面センサカメラの瞳の画像に変化を生じさせるための前記第1及び第2の高速ステアリングミラー並びに/又は前記レンズレットアレイの作動を制御する操作、
(b)前記イメージャカメラが捉えた画像又は前記波面センサカメラが捉えたサブアパーチャ画像に基づく3次元の大気位相体積の評価を更新する操作、
(c)前記イメージャカメラが捉えた画像又は前記波面センサカメラが捉えたサブアパーチャ画像に基づく点広がり関数の評価を更新する操作、及び
(d)前記更新された点広がり関数及び大気位相体積の評価を用いて前記物体の非同一平面上の画像を再構成する操作
を実行するようにプログラムされた、コンピュータシステム
を備える、システム。 An image forming system for an object from a long distance via the atmosphere,
A light receiving sensor having an opening,
A first high-speed steering mirror disposed on the pupil plane and receiving light that has passed through the opening;
A second fast steering mirror disposed at a distance from the pupil plane and receiving reflected light from the first fast steering mirror;
A beam splitter arranged to receive the reflected light from the second high-speed steering mirror and separating the incoming light into first and second light beams;
A lenslet array arranged to receive the first light beam;
A wavefront sensor camera arranged to receive light that has passed through the lenslet array;
An imager camera arranged to receive the second light beam, and a computer system,
(A) an operation for controlling the operation of the first and second high-speed steering mirrors and / or the lenslet array for causing a change in the image of the pupil of the wavefront sensor camera;
(B) an operation for updating an evaluation of a three-dimensional atmospheric phase volume based on an image captured by the imager camera or a sub-aperture image captured by the wavefront sensor camera;
(C) an operation for updating an evaluation of a point spread function based on an image captured by the imager camera or a sub-aperture image captured by the wavefront sensor camera; and (d) an evaluation of the updated point spread function and atmospheric phase volume. A computer system programmed to perform an operation to reconstruct a non-coplanar image of the object using.
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